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[科技前沿] 正经说个硬的:原子钟

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  • TA的每日心情
    慵懒
    2023-12-6 00:54
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    楼主
     楼主| 发表于 2020-7-22 21:00:00 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
    本帖最后由 七月群山 于 2020-7-22 21:06 编辑
    4 t9 `& J* Y3 R4 s
    ) f. d. `! {( |8 l/ L; W前不久收官的北斗-3(BDS-3)定位星座,用了一项顶牛逼的硬核科技:氢原子钟。
    " m2 m$ x7 Z& i
    # V8 q" l$ d" e% M$ l$ G5 N$ B5 \1 j氢原子钟是通俗说法。正经说,北斗-3用的是一台叫“被动型惰性氢分子激射器”的时频仪器,简称PHM。
    . r+ ^3 A* r5 h6 Q0 S
    # W9 ^: z5 W. U; `1 p" g; t* h1 J9 z% `个头、模样大致如此,二十六公斤。
    # X5 q+ f* i# t9 O: g5 X  P4 r5 X& V4 h4 g' D
    氢原子钟,Hydrogen MASER(Microwave/Molecular Amplification by Stimulated Emission of Radiation),分两种:主动有源型(active)和被动无源型(passive)。主动型当然好了,是目前已知精度最高的,就是呢个头太大了些,要求的温度条件和材料也相当苛刻,在地面站没问题,上卫星就不现实了;被动型,就是现在北斗3系用的,精度大概好像可能是差一个0,但是比目前美国GPS的铷钟,还是精确了两个到三个0,也就是一百到一千倍,稳定性也更高,耗电量随之也增加了,大致好像是五十瓦的级别,用在卫星上还不是负担。
    + m/ G1 }$ t" o1 r. l1 j# {3 a5 e2 c0 R' f0 ?, \0 _2 U
    当然,北斗3系是氢铷钟复合的双保险,这也是新卫星的主流——在卫星方面,目前,中国自己,还真就是主流,平均两星期发一颗,没别人了。) u  \6 n6 a( ?3 r6 g3 u0 k& G' Y' h
    9 U; Q9 |/ a) X) Y. r
    定位星座,美国“老大”,大不大另说,老肯定是够老的;俄罗斯、欧盟也都使用氢钟技术的,但和中国比嘛,理论上是没有代差啦,而且俄版自称抗干扰(此话怎讲?)方面有优势,但他总共就24+3颗的实力,可靠性也明显比我差;欧盟的伽利略,用的法国欧赫利亚(orolia)公司的产品,虽说重量上有优势(18公斤),耗电更低,但毕竟是民用级别的,精度被咱碾压不说,最要命好像是,还没射过?
    4 Y, u# Z" j3 ^8 _6 C. ^; g# X  |  n3 D7 o5 h+ {0 `
    还有一个印度,印度挺牛的。有一个航天科技世界排名的网站,把印度排在美中欧俄日之后;印度科学家不乐意了,说,如果把人口和总投资之类的因素加进去,印度实际是世界第一的——反正印度人的算数最棒,总能把印度算成世界第一,连韩棒都比不过印棒。背着手撒尿不服不行。
    % Q# r4 [$ k5 z1 B3 N( q( b$ Q/ P4 J! j
    也许有人知道,在中国的北斗2系之后,大概是2013~2016,印度发射了7颗卫星的区域定位系统,叫navic。中国的几家手机为了抢印度市场,还想抬举抬举这个navic来着,不过印度至今也没搞出来相关的芯片,就更别提软件了。那这个navic干嘛用的?或者说有没有任何应用?这是印度之谜!0 l* [" o. T% B3 Y4 J  _
    ; Z1 u/ F: k$ [! O! f4 J6 V" V. W
    不开玩笑,印度那威客的实际情况是,成网的第二年,一号星停摆了;然后补发一颗,失败了,到2018年再补发,按说是成功了,但其它几颗的可靠性明显的不行了。
    + A$ K% B  ?5 {% c0 j2 Q3 I  v3 B: c2 w6 T4 r: Y6 q  q5 @
    啥停摆了?原子钟啊!当年,2013年,印度虽说自己造不出原子钟,可它买的也是世界顶级的法国频谱计时spectratime公司的铷钟,虽说是民用级别的,毕竟是伽利略系统的供应商,(就是orola的前身,orola目前也是华为的供应商),,,不管怎样,反正,在原子钟方面,印度目前是,空白。当然就更不存在军用级别的定位系统了。没有卫星技术的支撑,其它的,比如导弹啦,无人机啦,,,等等,都必须仰人鼻息,“大国”悲哀莫过于此。5 G* x& l/ R: K( Q

    : z+ R; V! N* _. I8 {1 r+ K+ }6 F说些个大家可能百度不到的。
    / J7 q9 G: u5 r. w/ Z; f' `( y
    ( A' O9 X! u/ F; [/ w- H( h9 m* m===前方高能===
    ; s: [7 Z# V; y2 u2 N; f
    . S9 `( g' o8 `( n0 q原子钟的重要性,中国科学家早就明白,但是啊,新中国那叫一个一穷二白,看着hp——没错,就现在笔记本的hp,在咱炮打司令部之前,1964年,hp就造出了便携式原子钟,眼馋啊,哈喇子流一尺那种。8 v  l" z' D* }  i  ?) A

    7 \" l0 k0 M+ M! L* o那年,从字面意义讲,“时间”是掌握在美国的国家标准局手里的,懂吗,它可以是上帝,或者阎罗王。
    / u7 K) y; |% r
    7 R" @* Z+ j, i8 I1 `) s; I" B# n8 A% p- H( a' k$ {& N( ~
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    " B# R. C$ T  x, b4 ?4 t4 m9 D6 u. Z! @
    1964年的我们,面上菜色未消,胸中“铯”心又起。裤腰带紧了两扣,就制定了第一个铯束原子钟的十年大计。不到五年,达成第一阶段小目标,我们算是做到了原子钟的入门级。然后点点悲剧,,,等到“文革”消停了几天,“余毒”还没肃清呢,英明领袖还是华主席呢,胡耀邦还没开始“敲边鼓”呢,,,已经有“臭老九”开始蠢蠢欲动,甚至扬言,要把失去的“时间”夺回来!2 q) ]. x( s- q# n

    + `  o4 m2 r* k: M那是一帮时频的工程师。不对,他们那时还没有职称呢,都叫“技术员”,每月37元的工资,因为加夜班食堂会补一份肥肉很多的夜宵炸酱面而令他们欢欣鼓舞。但是我知道至少曾经有一个这样的美食之夜里,有三个蹲实验室的“技术员”并不开心,因为仪器故障他们当中必须有一个人去找无线电的小余来帮忙,而小余的娇妻是三线蹲放射性的,两三个月才回家度一下蜜月。谁大半夜的去敲人家小夫妻的门,那年月,挨大嘴巴。。。结果是小烨去的,也没挨大嘴巴。小余不到一个小时就修好了机器,完事也没客气,把大半罐子的肉炸酱都拿走了,因为他第二天倒休陪老婆,不打算出门。4 e: I9 i9 S1 y4 Z  K3 q
    : B  j# C0 K2 E( P
    时频,无线电,放射性,说的都啥?“时间”的原理或许你懂,可要把它固定在机器里,再以难以置信的精确度同时拿出来,是奇迹。% s4 A3 g) p* N( q8 ^5 \

    ' ^& D4 p  y8 \8 k7 g1981年,时频的技术员们第一次“真正”做到了,精度达到十的负十三次方,追上了世界水平。“时间”从此攥在了我们手里,而且我们再也没撒过手。2 ~% G- x2 F' Y$ \1 x* [- f. C
    / n6 [/ G5 X1 j( |( B- Z
    1986年,十的负十四次方。
    ' k6 R3 c& h; E- t- z6 l- g/ {+ k" U9 B. t
    2003年,十的负十五次方。
    , c  V/ N4 d) J9 Y  L# a5 |; Q
    - U& Y  ]  k( L( }" @, }3 Z8 ]2017年,十的负十六次方。
    7 u. L# Z. ]/ e1 Y4 s  }
    8 c! A. y2 V4 g这些还都是我们100%可以做到的“标准”水平,敞开了让你看,你花钱就给你做机器,绝不藏着掖着。  }! |4 H. N/ d% ]; y# h# h) Q

    " g0 p+ F( Q7 V# c% f- I  c。。。# p9 B$ K+ W) r' g

    4 y( d' J! P5 R+ u% n. x: f2 l6 h0 b: R5 n. t, F, ?; q* @6 l$ a
    今天,再去问时频“小烨”,他可能只记得当年价值九十元的真空管爆炸时的撕心裂肺;而放射性的罗阿姨,总会抱怨几句山洞里的实验室,害她犯关节炎;无线电的小余呢,对食堂何师傅的肉渣酱一直念念不忘。) O% ~4 i/ i% t- c9 e. G
    # o, P( ~: Y; p: w, s

    & F% V7 e( \' t& G, Q
    ) A2 B3 N* ^( t( U  Y+ o& i

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  • TA的每日心情
    开心
    13 小时前
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    [LV.Master]无

    沙发
    发表于 2020-7-22 21:54:56 | 只看该作者
    国内第一台铯钟在1965年就完成了,领头人是王义遒 十年后铷钟也成功了。+ J& B9 n: F2 @6 n- p
    真正的难点在于原子钟的小型化,这个是真的努力了好多年了。早七八年前2G往3G转的时候很多老旧基站都要拆除,所以市面上流了很多基站上带下来的铯钟,曾经有发烧友用这玩意代替高端恒温晶振来做采样与解码标准时钟。

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      发表于 2020-7-27 02:47

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  • TA的每日心情
    开心
    14 小时前
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    [LV.Master]无

    板凳
    发表于 2020-7-22 21:55:25 | 只看该作者
    北斗系统据说让科学院上海小卫星当了一把鲶鱼,分了部分星座给科学院,导致五院大为紧张,双方竞争加剧而促进北斗代际加快。

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      发表于 2020-8-8 16:40
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      发表于 2020-7-24 00:11
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      发表于 2020-7-23 14:27
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      发表于 2020-7-23 08:39

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  • TA的每日心情
    开心
    2019-4-29 10:01
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    [LV.8]合体

    地板
    发表于 2020-7-23 07:53:34 | 只看该作者
    电视台的3.58MHz色度副载波和授时台同步,可以代替铯钟。
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  • TA的每日心情
    开心
    2025-3-13 15:17
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    [LV.9]渡劫

    5#
    发表于 2020-7-23 08:17:06 | 只看该作者
    看了这么一点不过瘾,有没有这方面的科普书可以推荐一下,谢谢
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  • TA的每日心情
    开心
    2025-3-30 14:34
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    [LV.9]渡劫

    6#
    发表于 2020-7-23 08:47:43 | 只看该作者
    本帖最后由 忧郁金桥 于 2020-7-23 08:49 编辑
    - y+ k, Z% E% O6 I: r' c3 T
    , w# p, _) {# g' e3 n7 a  b群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    8 |2 g$ P$ z$ k看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    3 Y" G/ I3 \& q3 }6 }; @& @谢谢,“车旅系列”还能有第2季吗?
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  • TA的每日心情
    慵懒
    19 小时前
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    [LV.Master]无

    7#
    发表于 2020-7-23 10:41:50 | 只看该作者
    每月37元的工资 ------ 中专起步工资
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  • TA的每日心情
    开心
    2019-12-31 23:10
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    [LV.1]炼气

    8#
    发表于 2020-7-23 18:45:06 | 只看该作者
    安捷伦的铯钟,现在还是只能让人望尘莫及的水平,据说现在都禁运了
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    开心
    13 小时前
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    [LV.Master]无

    9#
    发表于 2020-7-23 22:56:13 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-23 18:456 d4 e' K8 c0 j1 j  L+ g
    安捷伦的铯钟,现在还是只能让人望尘莫及的水平,据说现在都禁运了

    . F) k: h' {) q# I4 l3 M: u0 |原子钟精度排名是铯-铷-氢 安捷伦之前并不涉及这块业务,后来收购此类公司才具备这个行业准去资格的。
    7 E3 p3 a/ `( F" Q6 ], T( `) ~他家的铯钟在基站上很常见。

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    2019-12-31 23:10
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    [LV.1]炼气

    10#
    发表于 2020-7-25 13:35:00 | 只看该作者
    红茶冰 发表于 2020-7-23 22:562 ^# ]) g- j: _6 ?+ K8 ?5 S/ _) e
    原子钟精度排名是铯-铷-氢 安捷伦之前并不涉及这块业务,后来收购此类公司才具备这个行业准去资格的。% y6 D, \6 V& P  R
    他 ...

    ' O! ^5 ]. y  K5 c* {短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    ' A: }% W0 r% _1 f5 I5071A好像这两年不好买了
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    13 小时前
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    11#
    发表于 2020-7-25 22:56:14 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-25 13:35  {* k1 [6 J" X4 W5 |# c; ^
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    + t9 O+ o# ?( E1 \+ j5071A好像这两年不好买了
    . U6 T+ ]# S+ z2 c2 d6 A1 F9 L
    这个短稳长稳有出处嘛?. u5 B3 |# l( \
    铯铷两种原子钟国内目前的厂家是天奥。恰恰就是这个国产鲶鱼让进口货的价格腰斩一半~~
    9 V  [/ p/ p$ b1 P+ Y) D所以 安捷伦到底是美国禁运呢还是自个玩不下去了还得俩说

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      发表于 2020-7-26 06:29
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    2019-12-31 23:10
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    12#
    发表于 2020-7-26 12:48:09 | 只看该作者
    红茶冰 发表于 2020-7-25 22:56
    8 Y$ ~- f) M/ H0 U这个短稳长稳有出处嘛?" j0 N7 J7 b! g' @
    铯铷两种原子钟国内目前的厂家是天奥。恰恰就是这个国产鲶鱼让进口货的价格腰斩 ...
    0 J3 n$ n. q$ W: @/ V
    5 u0 s$ T+ a* J8 n" o
    , P4 ]! a) W; ?5 _
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图+ }# T2 B6 Y  _% c
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的稳定性好,随着时间拉长,氢钟的稳定性(阿伦方差)就开始往上翘了,而高性能铯钟的阿伦方差则保持减小的趋势。

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      发表于 2020-8-8 16:41
    油墨: 5 油菜: 5
      发表于 2020-7-27 04:48
    给力: 5
      发表于 2020-7-27 03:03
    油菜: 5 涨姿势: 5
    学渣表示看不懂,但不妨碍表示佩服 :)  发表于 2020-7-26 21:12

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  • TA的每日心情
    慵懒
    17 小时前
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    13#
    发表于 2020-7-27 03:01:53 | 只看该作者
    红茶冰 发表于 2020-7-23 22:569 L3 w# E7 [) u4 U- o" |: k& r
    原子钟精度排名是铯-铷-氢 安捷伦之前并不涉及这块业务,后来收购此类公司才具备这个行业准去资格的。- I% o! `, a  ]7 d* ~+ j
    他 ...
    3 J( M- s# {5 v. H/ Z
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

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      发表于 2020-7-30 11:41
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    开心
    13 小时前
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    14#
    发表于 2020-7-27 03:35:13 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-26 12:48
    5 }  `7 v& u8 `( Y! C没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图+ M. {4 T8 W) P
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    7 q+ b' y, s! n* S你说的这个是冷原子喷泉钟吧?传统的铯基原子钟稳定性是不如铷和氢的。+ Z8 c" q! [, \; d, }+ \
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大了,只能空间站或者大型卫星上使用。
    3 R3 f. m; _* O0 q7 F; j# _

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      发表于 2020-7-27 04:47
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    开心
    2019-12-31 23:10
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    [LV.1]炼气

    15#
    发表于 2020-7-27 11:33:16 | 只看该作者
    红茶冰 发表于 2020-7-27 03:35
    + n2 p; `/ V4 {+ y: Y- B3 _. w你说的这个是冷原子喷泉钟吧?传统的铯基原子钟稳定性是不如铷和氢的。# X, X- L' Q% t
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

    ( D) [( d1 d9 V7 g# p1 h可能高端的铯钟做的更好一些吧' L" w: m3 s) {& P9 @9 ^- x! O$ Q
    从射电天文学的反馈来看,观测的时候都是用氢钟,利用其短稳1 G3 w: T7 x+ C1 d/ G
    时间基准据说用的是铯钟,利用其长稳
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    开心
    2019-12-31 23:10
  • 签到天数: 1 天

    [LV.1]炼气

    16#
    发表于 2020-7-27 11:34:00 | 只看该作者
    北京阿新 发表于 2020-7-27 03:016 h% y* H# ~. a1 ]2 c+ T, Z) _
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    / z/ w6 n# k- w  f3 ^+ G/ ]  C
    嗯,惠普 - 安捷伦 - 是德,不知道后面怎么变
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  • TA的每日心情
    开心
    2020-9-28 03:33
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    [LV.4]金丹

    17#
    发表于 2020-7-28 00:56:08 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-27 11:332 f7 E- Q" ?) ?# [/ {# A2 Y
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    ( `! w; N7 c) {  R& Q" A( P从射电天文学的反馈来看,观测的时候都是用氢钟,利用其短稳' A1 v5 n# x% X* E# o4 o. a  i
    时间基准据说 ...
    - x: z  |/ a0 o0 o4 A
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
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  • TA的每日心情
    开心
    2019-4-29 10:01
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    [LV.8]合体

    18#
    发表于 2020-7-28 09:50:08 | 只看该作者
    时间基准就是用铯的9193兆谱线对的。铷是6834兆。
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  • TA的每日心情
    开心
    2019-12-31 23:10
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    [LV.1]炼气

    19#
    发表于 2020-7-28 10:29:35 | 只看该作者
    陈王奋起挥黄钺 发表于 2020-7-28 00:56+ D- M; w* N% k6 H* ^$ a5 |, R
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    # l$ Y. U; d+ G" J* M6 s如果原子钟是放在一起的,可以本地直接比对,找出相互之间的差值,根据长期的数据,可以评估出各个单台原子钟的稳定性,用算法算出一个综合的时间,大家向这个综合的时间看齐调整/ k9 \% ^3 u# r4 `

    + t8 w# s) K1 u5 \不在一起的原子钟,有基于卫星的、光纤的,等等方法进行比对
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    开心
    2020-9-28 03:33
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    [LV.4]金丹

    20#
    发表于 2020-7-28 11:41:34 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-28 10:29
    , `9 A' Z- V8 ?, D如果原子钟是放在一起的,可以本地直接比对,找出相互之间的差值,根据长期的数据,可以评估出各个单台原 ...

    $ _! ?+ W- q4 k, f2 ~: x像卫星上的原子钟,隔了几万公里,距离也不确定,真的好奇如何进行时间同步。
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